DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG E.V.

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1 DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG E.V. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht BADEN-WÜRTTEMBERG Belastung durch Stöße beim Fahrradfahren Philipp Hölzer Schule: Carl-Benz-Gymnasium Realschulstraße Ladenburg Jugend forscht

2 Belastungen durch Stöße beim Fahrradfahren Eine Arbeit im Rahmen von Jugend Forscht Fachgebiet: Technik Philipp und In der Au Ladenburg Klasse d/a Carl-Benz-Gymnasium Realschulstraße Ladenburg

3 Inhaltsverzeichnis. Einleitung.... Theoretischer Teil.... Die Funktionsweise eines Wii Kontrollers.... Funktionsweise des Auswertungsprogramms....3 Funktionsweise einer Fahrradfederung Getestete Getestete Schikanen Versuchsaufbau Messungen Auswertung Fazit Danksagungen Quellen

4 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit Einleitung Da wir jeden Tag mit dem Fahrrad in die Schule fahren haben wir uns die Frage gestellt, welche Belastungen auftreten, wenn man zum Beispiel mit dem Fahrrad über einen Randstein oder über eine Bodenwelle fährt. Nach unserer Teilnahme im letzten Jahr haben wir in diesem Jahr unsere Messungen mit Hilfe von Wii Kontrollern getätigt, anstatt mit einem Bewegungssensor. Zudem messen wir in diesem Jahr mit vielen verschiedenen n und mit unterschiedlichen Federungen. Außerdem vergleichen wir verschiedene Preisklassen. Wir haben uns überlegt die Messungen bei der Firma Zweirad-Center Stadler durchzuführen. Dort können wir unter immer gleichen Bedingungen die Messungen genauer vergleichen, da es dort eine Teststrecke gibt. Hier werden uns verschiedene zur Verfügung gestellt.. Theoretischer Teil. Die Funktionsweise eines Wii Kontrollers Durch eine Sensorleiste die Infrarotstrahlung aussendet [5] wird die genaue Position des Wii Kontrollers (oder auch Wii Fernbedienung oder Wiimote) bestimmt. In dem Wii Kontroller sitzt eine Kamera [][5] die die Infrarotstrahlung aufnimmt. Zwischen der Wiimote und der Sensorleiste entsteht ein Dreieck mit dessen Hilfe man Sachen auf dem Bildschirm anvisieren kann. [5] Falls die Sensorleiste defekt ist kann auch eine andere Lichtquelle verwendet werden wie zum Beispiel Kerzen. Die genaue Position schickt dann der Wii Kontroller per Bluetooth an die Konsole. [][5] Innerhalb des Wii Kontrollers sitzt außerdem ein Bewegungssensor welcher die Bewegung und die Stärke der Bewegung per Bluetooth an die Konsole schickt. Der Bewegungssensor der Wii Fernbedienung (Analog Devices AD33 IC [][6] ) hat einen Messbereich von ±3g [] und eine Empfindlichkeit von ±3mV/g. [] Der Beschleunigungssensor hat eine Abmessung von 4mm x 4mm x,75mm. [] Die Achsen X und Y werden mit 6 Hz ausgegeben [6], die Z Achse nur mit 55 Hz. [6] Wii Fernbedienung Wii Infrarot Sensorleiste. Funktionsweise des Auswertungsprogramms Das Auswertungsprogramm wurde von Michael Blessenohl geschrieben und zeichnet die aktuellen Werte der Messung der Wii Fernbedienungen auf. Die Wii Fernbedienungen sind dabei per Bluetooth mit dem Laptop verbunden. Diese Daten speichert das Programm als.dat Datei. Es werden die Daten von maximal 4 Wii Fernbedienungen gleichzeitig ausgelesen und gespeichert. Michael Blessenohl hat drei verschiedene Programmarten entwickelt.. Wiicorder. Wiicorder Mastermodus 3. Wiicorder Tastensperre Bei dem ersten Programm lässt sich die Programmaufnahme mit dem Laptop aber auch mit jeder der verbundenen Wii Kontroller starten und stoppen. Bei dem zweiten Programm lässt sich die Programmaufnahme mit dem Laptop aber auch mit der Wiimote Nr. starten. Die Nummern der Wii Fernbedienungen werden mit den auf der Wiimote vorhandenen LEDs angezeigt. Bei dem letzten Programm lässt sich die Programmaufnahme nur mit dem Laptop starten und stoppen. Bei jeder dieser Programme wird die Messung am Laptop durch die Leertaste gestartet und gestoppt. Bei den Wii Fernbedienungen wird das Programm durch den Knopf A gestartet und durch den Knopf gestoppt. - -

5 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit Funktionsweise einer Fahrradfederung Bei einer Fahrradfederung gibt es ein Standrohr [] und ein Tauchrohr [] die sich ineinander schieben. Bei der sogenannten RightSideUp [] Federung (englisch für richtige Seite oben ) ist das Standrohr an der Gabelbrücke befestigt und taucht in das Tauchrohr ein an dem die Radnabe befestigt ist. Zudem gibt es auch noch die sogenannte UpSideDown" [] Federgabel, (englisch für Auf dem Kopf stehend") bei der das dünnere Tauchrohr in das Standrohr eintritt, an dem die Nabe befestigt ist. Die Aufgabe der Fahrradfederung ist in Teile unterteilt, zum einen die Federung und die Dämpfung. Bei der Federung wird vorerst über eine Feder die Energie des Stoßes aufgenommen und in der Feder gespeichert. Damit diese nicht so stark zurückfedert ist in der Federgabel ein Dämpfer enthalten [], der meistens aus Öl besteht. Beim ausfedern wird das in der Federgabel enthaltene Öl durch dünne Kanäle gepresst, dadurch erwärmt sich das Öl und wandelt somit kinetische Energie in thermische Energie um. [].4 Getestete Es werden die Belastungen an verschiedenen n gemessen die unterschiedliche Federungen besitzen beziehungsweise keine Federung besitzen. Trek. Rennrad keine Radgröße: 8 Preis: 799 Trekking Gabelfederung (festgestellt) Federtyp: Suntour NCX-D RL [7] Radgröße: 8 Preis: 65 Preis Feder : 8 Ultra Trekking Gabelfederung Federtyp: HeadShok Radgröße: 8 Preis: 399 Preis - 3 -

6 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit Federtyp: Radgröße: Preis: Preis Trekking Gabelfederung Suntour CR V Federtyp: Radgröße: Preis: Preis Disc Mountain Bike Gabelfederung Suntour XCM V 6 45 Federtyp: Dämpfertyp: Radgröße: Preis: Reis Gabelfeder: Preis Dämpfer: Focus Fire Mountain Bike Vollgefedert [4] RST Omega-T RL [4] DNM AO 3 RC Air Federtyp: Dämpfertyp: Radgröße: Preis: Preis Gabelfeder: Preis Dämpfer: Cross Country Vollgefedert [3] Fox F RL Fit [3] Fox RP

7 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit Federtyp: Dämpfertyp: Radgröße: Preis: Preis Gabelfeder: Preis Dämpfer: DH Downhill Vollgefedert Rock Shox Boxxer Racer Fox Van R Radgröße: Preis: SL City keine Radgröße: Preis: Dahon Mu Klapprad keine 899 Radgröße: Preis: Fitness keine

8 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit Getestete Schikanen Schwelle Bei dieser Schikane fahren wir zuerst die kleine Rampe auf die Erhöhung hinauf um dann auf der anderen Seite die Rampe wieder runter zu fahren. Randstein Bei dieser Schikane fahren wir zuerst die kleine Rampe auf die Erhöhung rauf um dann seitlich über den Randstein runter

9 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit 4.3. Bodenwellen Bei dieser Schikane fahren wir mit dem zu testeten Fahrrad über alle drei Bodenwellen um dort die Belastungen zu testen.6 Versuchsaufbau Hier wird während der Fahrt die Messung durchgeführt. Um genaue Messergebnisse zu erhalten darf der Abstand zwischen Laptop und Wii Kontrollern nicht mehr als fünf Meter betragen - 7 -

10 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit 4.3. Wir haben 4 Wii Kontroller an verschiedenen Stellen am Fahrrad befestigt.. An der Sattelstange. Links Vorne an der Gabel 3. Am Rahmen vorne 4. Am Lenker mittig Die Wii Kontroller haben wir an der Gabel, am vorderen Rahmen und am Lenker befestigt, um die Belastungen unter und über der Feder vergleichen zu können, um immer gleiche Bedingungen von der Position der Wii Fernbedienungen zu schaffen. Dabei können wir auch vergleichen ob teurere Federungen besser sind als preiswertere. Die erste Wii Fernbedienung dient dazu die hintere Rahmenfederung zu testen. Bei der zweiten und dritten Federung können wir den gedämpften und ungedämpften Schlag vergleichen. Bei der vierten Wii Fernbedienung können wir die Belastung messen die auf die Hände wirken. Wir Messen mit jedem Fahrrad pro Schikane Messungen. Da wir drei Schikanen testen machen wir 3 Messungen pro Fahrrad. Wir testen elf also machen wir insgesamt 3 Messungen. Wir messen mit dem und dem also den Rennrädern keinen Randstein, da wir den Rahmen nicht zu sehr belasten wollen, da er sonst zu beschädigen droht. Wir wollten noch ein preiswertes Fully (Full-Suspension) von, dem Modell Wild Beast testen aber wir haben festgestellt, dass der Dämpfer am hinteren Rahmen noch einige Meter nachfedert, weshalb wir uns gegen den Test dieses Fahrrades entschieden. Bei dem Fahrrad, das eine Gabelfederung besitzt, haben wir uns überlegt diese mit einem sogenannten Lock Out fest zu stellen um auch diese Art der Gabel zu testen. Die Wii Fernbedienungen sind per Bluetooth mit einem Laptop verbunden. Die von der Wiimote geschickten Daten werten wir mit Hilfe einer Excel Tabelle aus. Aus den Messwerten erstellen wir ein Diagramm, das den Mittelwert aus allen drei Achsen ermittelt. Aus diesen Diagrammen suchen wir die Höchsten Peaks und bilden aus allen Höchstwerten den Durchschnitt, so können wir verschiedene und Federungen vergleichen. 3. Messungen Zeit Zeit,34,4,64,8,4,7,44,67,85,,3,434. Zeit,5,5,78,4,33,45,67,888,6,35,543,76 Bodenwellen Randstein Schwelle Exemplarisch werden hier die Diagramme des gezeigt

11 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit 4.3. Alle weiteren Diagramme sind am Stand ausgelegt. Alle in den Diagrammen angegebenen Werte sind Relativwerte, da wir den resultierenden Vektor aus allen drei Achsen der Rohdaten errechnen. Die Formel für den resultierenden Vektor ( x + + y z ) addiert" die drei Achsen und legt den höchsten Wert auf 7. So beträgt der g Wert 5, anstatt den von dem Bewegungssensor ausgegebenen g Wert von ±3g. 4. Auswertung Bodenwellen Wii FB's,,3, Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4 Bodenwellen Wii FB 3,5 3,5,5,5 Bodenwellen Wii FB,5,5,5 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4-9 -

12 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit 4.3. Bodenwellen Wii FB 3 4 3,5,5 3,5,5 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4 Bodenwellen Wii FB 4 4,5 3,5 4,5 3,5,5 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4 Schwelle Wii FB's,,3,4,8,6,4,,8,6,4, 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4 - -

13 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit 4.3. Schwelle Wii FB,,8,6,4, 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4 Schwelle Wii FB,8,6,4,,8,6,4, 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4 Schwelle Wii FB 3,5,5,5 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4 - -

14 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit 4.3. Schwelle Wii FB 4,5,5,5 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4 Randstein Wii FB's,,3,4 4 3,5,5 3,5,5 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4 Randstein Wii FB 3,5,5,5 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4 - -

15 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit 4.3. Randstein Wii FB 3,5,5,5 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4 Randstein Wii FB 3 4,5 3,5 4,5 3,5,5 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 85, 4 Randstein Wii FB SL 8 Disc, 37 8 Ultra DH 5, 4 85, 4 Die oben gezeigten Diagramme zeigen den Durchschnitt der höchsten gemessenen werte pro Diagramm. Die Y-Achse ist mit dem Namen des Fahrrades und dem Preis der Feder beschriftet, die X-Achse zeigt den gemessenen Durchschnittswert. Die n und sind Renn- beziehungsweise Fitnessbikes, deshalb haben wir bei diesen Rädern die Schikane Randstein nicht gemessen, da diese nicht auf große Belastungen ausgelegt sind

16 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit Fazit Zum Abschluss ist zu sagen, dass uns bei den Messungen einige Federungen sehr überrascht haben, wie zum Beispiel das Disc, das vorne eine bessere Federung hatte als das teurere. Zudem fanden wir es erstaunlich, dass die kleine HeadShok Federung mit einem geringen Federweg so eine gute Federleistung erbringen konnte. Das hatte bei allen Messungen am Besten abgeschnitten, da es ein Downhill Bike ist und auch für zum Beispiel Sprünge oder das Fahren über größere Hindernisse konzipiert wurde. Uns hat es viel Spaß gemacht und wir fanden es sehr interessant verschiedene zu testen und auch einen Vergleich zum eigenen Fahrrad festzustellen. Wir fanden es schade, dass es auf dem Fahrradmarkt nur wenige altersgerechte mit tiefem Einstieg und einer Vollfederung gibt. Meist haben die mit tiefem Einstieg nur eine Gabelfederung, obwohl diese den Rücken und die Gelenke nicht ausreichend schont. Wie man bei unseren Messungen sieht, dämpft eine Federung einen sehr großen Teil des Schlages ab. Zudem ist uns aufgefallen, dass es viel mehr gabelgefederte gibt als vollgefederte, obwohl unseres Erachtens die Sattelfederung viel wichtiger ist, weil so der Rücken geschont wird. Die Sattelfederung kann über unebenen Wegen viele Erschütterungen dämpfen, besser als die Gabelfederung. Somit können wir jedem empfehlen, der viel mit dem Fahrrad fährt, sich für ein vollgefedertes Fahrrad zu entscheiden. Das ist altersunabhängig auch wenn das Fahrrad kostenintensiver ist, schont es jedoch den Rücken und die Gelenke erheblich. Ausgenommen sind Rennräder die nur für die Straße geeignet sind. Zudem hat es uns viel Spaß gemacht die Messsmethode zu entwickeln und so auch noch einiges über die Datenverarbeitung mit Microsoft Office Excel zu lernen. Zudem möchten wir noch erwähnen das dieses Projekt der Vorreiter für viele weitere Projekte im Rahmen von Jugend Forscht aber auch im Rahmen der Landesstiftung Micro Macro, bei denen wir dann in einer größeren Arbeitsgruppe unter anderem andere Sportarten wie Zum Beispiel schwimmen, reiten oder Schlittschuh fahren die Belastungen messen. 6. Danksagungen Wir danken Herr Oliver Bläß der uns bei dem Projekt unterstützt hat. Wir danken Herr Jan Jung-König für die Unterstützung bei unserem Projekt. Wir danken Herr Michael Blessenohl für die Programmierung des Programms um die Daten der Wii Kontroller auszulesen. Wir danken der Firma Zweirad-Center-Stadler Mannheim für die Bereitstellung der und der Teststrecke. Wir danken der Landesstiftung Baden Württemberg GmbH die uns im Rahmen des Programms Micro Macro großzügig unterstützt hat

17 Philipp Hölzer Jugend - Forscht Arbeit Quellen [] [] [3] Seite Wii. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand:. Januar, 8:5 UTC. URL: (Abgerufen: 6. Januar, :37) Seite Fahrradgabel. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 3. Oktober,6:38 URL: (Abgerufen: 6. Januar, :38) Seite " MTB Special Edition Modelljahr: /", Zweirad-Center Stadler GmbH, URL: lss=artikel_suche&aktion=&naviid=&artikelid=69&marke=&start=&limit=&sortby=&marke n=&vonsuche=&suchoption=&suchwert=tomac%automatic (Abgerufen: 3. Januar,.4) von Zweirad-Center Stadler GmbH [4] Seite " Modelljahr: ", Zweirad-Center Stadler GmbH, URL: lss=artikel_suche&aktion=&naviid=&artikelid=843&marke=&start=&limit=&sortby=&marke n=&vonsuche=&suchoption=&suchwert=fire%edge (Abgerufen: 3. Januar,.3) von Zweirad-Center Stadler GmbH [5] natur + technik" Magazin Ausgabe von November,. Jahrgang Seite 5 [6] (Abgerufen: 3.Januar, 4:6) von Analog Devices [7] [8] Seite " Cross Modelljahr: ", Zweirad-Center Stadler GmbH, URL: q&lss=fahrrad&aktion=&naviid=5&artikelid=597&marke=&start=&limit=&sortby=&mark en=_rad&vonsuche=&suchoption=&suchwert= (Abgerufen: 3. Januar, 3.46) von Zweirad-Center Stadler GmbH Seite " MTB Special Edition Modelljahr: /", Zweirad-Center Stadler GmbH, URL: &lss=artikel_suche&aktion=&naviid=&artikelid=7986&marke=&start=&limit=&sortby=&mar ken=&vonsuche=&suchoption=&suchwert=kona - 5 -